ENSIC Nancy Physico-chimie de la combustion : de la molécule aux machines thermiques du Lundi 11 mai 2015 au Mercredi 13 mai 2015

L'ENSIC organise un stage de Perfectionnement à destination des Professeurs des classes préparatoires scientifiques les 11, 12 et 13 mai 2015, géré par Romain PRIVAT, Maître de Conférences, à savoir :

Physico-chimie de la combustion : de la molécule aux machines thermiques

Nombre de stagiaires : 20 maximum

Mots clefs

Combustion Calculs ab initio

Cinétiques chimique Mécanismes réactionnels

Cycles thermodynamiques Exergie

Moteurs Simulation de procédés 2

Présentation détaillé et formulaire d'inscription en bas de page ou sur le site de l'ENSIC : http://ensic.univ-lorraine.fr/fr/blog/stage-de-perfectionnement-physico-chimie-de-la-combustion-de-la-molecule-aux-machines

Date limite d'inscription : 31/03/2015.

Merci d'envoyer votre bulletin d'inscription (ci-dessous) à : christine.pillon@univ-lorraine.fr

Résumé

La combustion est un processus physico-chimique omniprésent dans nos sociétés qui est à l'origine d'environ 90 % de la production d'énergie mondiale. Dans un contexte d'augmentation régulière du coût de l'énergie et d'injonction à réduire les émissions polluantes, l'optimisation énergétique et environnementale des procédés dans lesquels les réactions de combustion occupent un rôle central, devient un enjeu d'avenir majeur. La réponse à apporter à cette problématique passe par une meilleure compréhension à la fois des mécanismes réactionnels et des procédés de conversion d'énergie.

Dans le cadre de ce stage, nous aborderons dans un premier temps le processus de combustion à partir d'une approche physico-chimique qui consistera à placer la réaction au cœur du processus. Nous verrons comment différentes disciplines scientifiques comme la chimie quantique associée à la modélisation moléculaire, la cinétique chimique ainsi que la thermodynamique permettent d'apporter des

informations capitales sur la compréhension de la combustion et permettent une meilleure analyse des phénomènes qui s'y déroulent. D'un point de vue théorique, nous utiliserons des outils de la chimie quantique (méthodes ab initio) pour étudier des réactions élémentaires intervenant en combustion : étude de chemins réactionnels, identification des états de transition, calcul de la constante de vitesse ...

Nous verrons aussi comment il est possible de construire, a priori, des mécanismes cinétiques détaillés permettant de prédire à la fois la réactivité globale de la réaction de combustion mais aussi la formation des polluants.

Dans un second temps, nous présenterons les différents cycles thermodynamiques et les procédés associés de production d'énergie dans

lesquels la réaction de combustion occupe une place centrale. Les méthodes thermodynamiques utilisées pour modéliser les mélanges réactifs circulant dans les procédés seront discutées.

D'autre part, plusieurs dispositifs expérimentaux dédiés à la mesure des cinétiques en réacteurs « idéaux » (0D ou 1D) seront présentés et permettront de réaliser des expériences dans le cadre des travaux pratiques. Ces approches expérimentales illustreront la méthodologie utilisée pour suivre la réaction de combustion, notamment, à travers l’identification et le dosage d’espèces formées au cours de la réaction.

Enfin, une séance pratique sur ordinateur sera consacrée à la modélisation d'un procédé de conversion d'énergie et à son étude énergétique.

Calendrier

3 demi-journées de cours (matin) et 3 demi-journées de TP (après-midi : rotations)

11 mai 2015

Cinétique combustion (René Fournet (cinétique))

Ab initio (Baptiste Sirjean (cinétique))

TP1 : Calcul de grandeurs thermodynamiques et cinétiques (calculs ab initio).

TP2 : Etude expérimentale d’une réaction de combustion.

Mesure expérimentale d’une vitesse de flamme.

TP3 : Etude énergétique d’un cycle thermodynamique.

Conférence Michel Dirand (président de l’épreuve des TIPE)/ TIPE (30 min)

12 mai 2015

Mécanisme complexes combustion (Olivier Herbinet (cinétique))

Cycles thermo (Romain Privat (thermodynamique)/ Jean-Noël Jaubert (thermodynamique))

TP1 : Calcul de grandeurs thermodynamiques et cinétiques (calculs ab initio).

TP2 : Etude expérimentale d’une réaction de combustion.

Mesure expérimentale d’une vitesse de flamme.

TP3 : Etude énergétique d’un cycle thermodynamique.

Soirée Visite de Nancy + dîner

13 mai 2015

Combustion moteurs (Pierre-Alexandre Glaude (cinétique))

Modèles thermo (Romain Privat (thermodynamique)/ Jean-Noël Jaubert (thermodynamique))

Aprèsmidi

TP 1 : Calcul de grandeurs thermodynamiques et cinétiques (calculs ab initio).

TP2 : Etude expérimentale d’une réaction de combustion.

Mesure expérimentale d’une vitesse de flamme.

TP3 : Etude énergétique d’un cycle thermodynamique.

Descriptif de la formation

1ère matinée (2 parties de 2h30 et 1h30):

1ère partie 2h30 (René Fournet (cinétique)) :

o Introduction générale sur l’objectif du stage

o Introduction à la combustion et mise en évidence d’un phénomène physico-chimique complexe.

o Cinétique chimique appliquée à la combustion

- Définition et mesure de la vitesse d’une réaction en réacteur quelconque, puis dans des réacteurs idéaux.

- Dispositif expérimentaux utilisés pour l’étude des réactions de combustion (introduction des TP sur le RPA et les flammes)

- Retour sur la théorie du complexe activé pour le calcul des constantes de vitesse (introduction de la conférence sur les méthodes ab initio).

- Mécanismes réactionnels en combustion – phénomènes de branchement (introduction de la conférence sur la construction de mécanismes et la modélisation cinétique).

2ème partie 1h30 (Baptiste Sirjean (cinétique))

Présentation des méthodes ab initio pour l’étude des réactions élémentaires impliquées dans les processus de combustion en phase gazeuse. Objectif : présentation générale des méthodes de la chimie quantique pour l’étude des systèmes réactifs (le détail d’un calcul sera

réalisé en TP.

2ème matinée (2 parties de 2h chacune)

1ère partie 2h00 (Olivier Herbinet (cinétique))

Modélisation cinétique des mécanismes complexes et simulations

2ème partie 2h00 (Romain Privat (thermodynamique) ou Jean-Noël Jaubert (thermodynamique)) :

Présentation des principaux cycles thermodynamiques dans lesquels

intervient le processus de combustion. 6

3ème matinée (2 parties de 2h chacune):

1ère partie 2h (Pierre-Alexandre Glaude (cinétique))

Combustion dans les moteurs à combustion interne (adaptation moteurcarburant)

2ème partie 2h00 (Romain Privat (thermodynamique) ou Jean-Noël Jaubert (thermodynamique)) :

Modélisation thermodynamique des milieux réactifs.

Critères de choix d'un modèle thermodynamique.

DESCRIPTIF DES TP

Une partie de cours sera couplée à chaque TP.

TP 1 : (7 personnes maxi) Etude d’une réaction élémentaire à partir des méthodes ab initio. Calcul de grandeurs thermodynamiques et cinétiques (RF, BS)

TP2 : (7 personnes maxi) 1ère partie : Etude expérimentale d’une réaction de combustion en RPA avec suivi analytique (OH) – 2ème partie : Mesure

expérimentale d’une vitesse de flamme + visite des autres installations du laboratoire (PAG, DP)

TP3 : Modélisation puis étude énergétique de cycles thermodynamiques à l'aide d'un logiciel de simulation de procédés.

ENSIC 1, rue Grandville - BP 20451 - 54001 Nancy